从进水碳源角度分析改良A2O工艺生物除磷作用

摘 要：南方污水厂进水碳源浓度普遍偏低，且这已成为南方污水厂生物除磷效果较差的最主要因素。通过实验发现，单方面加大进水C源的浓度可以大大提高生化除磷率，可以达到76%以上。另外，从几种碳源的平行实验比较来看，可以确认乙酸钠最好的碳源。对于改良A2O工艺，通过预缺氧段和厌氧段的配水比可以有效控制厌氧区的碳源分配比可以尽可能使生物除磷充分利用原水中的C源，从而提高生物除磷的去除率。

关键词：生物除磷 碳源 改良A2O 脱氮除磷 VFA

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）010-127-05

目前，我国水环境富营养化污染严重，而氮磷化合物的污染正是富营养化根源。当前的新建污水厂所采用的工艺也都具备脱氮除磷功能。

对于南方污水厂来说，除磷的效果却一直不佳，这主要原因是原水中缺乏适应于反硝化和释磷作用所必需的有机碳源。

1 生物除磷反应机理

1.1 释磷反应过程

具有生物除磷功能的异样细菌被称为聚磷菌（PAOs）。在厌氧环境中，挥发性脂肪酸（VFA）以被动扩散的形式进入细胞，而PAOs将多聚磷酸盐（PolyP）分解生成磷酸盐释放出细胞外，同时产生能量将ADP转化为ATP。ATP/ADP循环促使VFA在PAOs内转化为乙酰辅酶A，而乙酰辅酶A又通过糖酵解提供的还原性物质（NADH + H+ ） 进行PHB 合成。如果没有足够的PolyP分解则无法产生ATP，VFA也只能累积在PAOs胞内而无法被吸收，更无法转化为PHB。同样，如没有足够的VFA，PHB缺少底物一样无法合成。因此，PolyP和VFA是形成PHB的必要条件（以上过程见图1）。

1.2 吸磷反应过程

当污泥混合液刚进入好氧段时，PAOs中贮存有大量的PHB而PolyP含量较低，污水中无机磷酸盐含量则很丰富，PAOs 在好氧段中以O2作为电子受体，利用胞内PHB 作为碳源及能源进行正常的好氧代谢，通过氧化磷酸化生成ATP。ATP又为PAOs吸收磷酸盐并重新合成PolyP存于细胞内而提供能量支持。由于PHB的好氧代谢能够提供大量能量，从而形成大量ATP，因此，1.3 生物除磷的主要影响因素

由以上反应机理可知，PHB的生成是生化除磷的必要条件，若在厌氧区状态下无法生成PHB，即使释放了磷酸盐，也只是无效释磷，PAOs无法在好氧区对释放的磷酸盐进行吸收。而形成PHB的主要影响因素有：

（1）进水碳源。进水中一般FVA的浓度很低，但是若进水中有较高的可降解有机物浓度，通过水解酸化反应，也能够形成较高浓度的VFA。因此，释磷反应与进水中是否含有充足可降解有机物，且有机物是否包含足够VFA或者较容易水解酸化生成VFA有关。

NADH具有强还原性，当环境为还原性时，反应向右进行；而环境为氧化性时，反应向左进行，此时NADH会大量转化为NAD+，进而乙酰辅酶A无法生成，最终导致无法形成PHB。

2 关于C源对生物除磷影响的实验分析

2.1 碳源种类对除磷的影响

有学者研究表明：分子链越长，释磷效果越差，酸类释磷效果比醇类、糖类要好。本实验中采用四种常见的基质，研究其作为外加碳源提高生物除磷率的可能性。

（1）实验装置，如图3。

（2）实验方法。

在2L圆口玻璃瓶装入1.5L污泥混合液，放置澄清，倒掉上清液，加入原水至1.5L。接入搅拌器，盖上瓶盖，厌氧过程保证DO2.0mg/l。

取布吉污水厂厌氧区污泥分别装入1#、2#、3#、4#四个瓶子中，每瓶装入1.5L，分别加入乙酸钠、淀粉、酒精、葡萄糖四种底物作外加营养源，维持厌氧2h，好氧5h，静沉1h，静沉1h后的上清液为反应器处理后出水，排掉上清液在加入原水，至此结束一个周期。每天3个周期，即每个反应器每天处理4.5L污水。定期测定不同C源反应器的出水TP，确定去除效果。

（3）测试方法。

总磷浓度采用钼锑抗分光光度法，且为避免实验误差实验中除原水外其它均为溶解性TP。

硝酸盐氮浓度采用盐酸-氨基磺酸分光光度法。

COD采用重铬酸钾消解法。

（4）研究结论。

将各C源折算成BOD，每次不同碳源按相同BOD投加，当日出水TP和各C源投加量如表1所示。

（1）四种营养源中乙酸钠对除磷的促进效果最好，其次是乙醇、葡萄糖。淀粉对除磷的促进效果最差。

（2）随着营养源的添加量变化，TP处理效果也变化，营养源越多TP处理效果越好。

（3）从图5中亦可以看出：TP处理效果较好的情况下，一旦营养源不足。污泥会大量无效释磷，出水TP猛增。

（4）乙酸钠的投加浓度大于11mg/L（0.025g/4.5L）的情况下，生物除磷的去除率就可达到较高值，但不稳定，若在22mg/L（0.05g/4.5L）浓度下，能够确保稳定。

2.2 充足碳源下除磷效果

取1.5L布吉厂厌氧区污泥置反应器中，澄清后，倒掉上清液，加原水至1.5L，加入0.04g乙酸钠。厌氧反应1.5h，好氧反应5h。实验结果如图6所示。

图6 投加乙酸钠情况下，污泥释磷情况图

由图6可知，加入0.04g乙酸钠（相当于23.4mg SCOD，浓度26.67mg/L），已能达到较高的释磷率（>300%），TP去除率也较高，达到76%。另外，在DO的最高值出现对应的反弹现象，初步分析可能是污泥因DO过高而产生自溶，造成无效释磷。降低DO后吸磷作用开始好转。

由此可见，加入一定量的乙酸钠，短期之内释磷率就能升高，去除率也处于较高值，但是好氧阶段DO不宜过高，否则会产生细胞过度氧化而自溶，造成无效释磷影响出水TP。

3 布吉污水厂运行中生化除磷分析

布吉污水厂为地下式污水处理厂，采用改良A2O工艺，日处理量为20万吨污水，出水执行标准为国家一级A标准。布吉厂改良A2O工艺如图7所示。在传统A2O工艺的基础上增加了预缺氧区，并且采用预缺氧区和厌氧区两点进水的方式。本厂的改良A2O工艺还增加了脱气区，目的是适当降低好氧末出水DO，避免了内、外回流还带有较高DO破坏缺氧和预缺氧的缺氧环境，另外本厂内回流系统可以将污泥回合液回流致预缺氧、厌氧、缺氧三个区域，用于工艺变形，可将改良A2O通过内回流的去向改变转化为AO、A2O、倒置A2O等工艺。目前，本厂内回流全部流向缺氧段。

布吉厂改良A2O工艺具体工艺参数如下：总水力停留时间11h，预缺氧段停留时间1.5h，厌氧段停留时间1.5h，缺氧段停留时间2h，好氧段停留时间6h，污泥浓度5000mg/L，泥龄15d左右。

3.1 布吉厂除磷情况

布吉污水厂2012年布吉厂平均进水COD为177.65mg/L，BOD为56.68 mg/L，进水TP为4.08mg/L，生物池出水TP为0.83，去除率为77.54%。

进水COD、BOD、生化系统进出水TP、TP去除率年变化关系如图8、图9、图10所示。

由图8、9、10可知，布吉厂全年的COD、BOD进水浓度变化较大，4-8月TP去除率较低，与当时进水COD、BOD处于较低值相对应，而TP去除率处于较高值的1-3月，也与进水COD、BOD处于较高值相对应。说明布吉厂生物除磷的去除率与进水C源含量成一定的正相关性。

3.2 布吉厂改良A2O工艺不同配水比脱氮除磷变化情况

针对布吉厂改良A2O工艺，选B线做实验，内回流控制在100%、外回流控制在40%，污泥浓度在5000～6000mg/L，实验时间为5周，每周将预缺氧和厌氧的配水比R由高到低依次调节为2、1.5、1、0.5、0.2。这5周每周的进水平均浓度如表2。

在实验时间内，每周对B线的预缺氧、厌氧、缺氧、好氧、脱气区域的硝酸盐氮、总磷、溶解性COD进行分析，得到数据见表3。

由表3可知，NO3―-N、TP的变化趋势与配水比有很大关系。当配水比为2时，系统脱氮能力较强，预缺氧、厌氧段NO3―-N都很低可见都存在反硝化反应，硝化作用非常明显且出水NO3―-N在控制范围，在10mg/L以下。但除磷作用很差，厌氧段几乎不存在释磷反应，主要原因是由于配水比过高，厌氧区C源分配少，聚磷菌释磷受到抑制，厌氧区成为了反硝化区进一步抑制聚磷菌生长。SCOD逐级减少，说明每个区域异养菌新陈代谢正常，有机物得到了有效同化。

当配水比为1.5时，反硝化作用依然较好，释磷现象开始发生，出水TP浓度有所下降，但依然较高。SCOD依然逐级递减。另外，缺氧区出现TP浓度下降，说明可能存在以硝酸盐氮为电子受体的反硝化吸磷作用；脱气段NO3―-N出现下降，说明在脱气区DO已较低发生了反硝化反应。

当配水比为1时，预缺氧区和缺氧区NO3―-N上升较多，说明由于配水比减小，反硝化所分得的碳源逐渐减少，反硝化作用以开始出现减弱，但是由于进水TN较低，出水依然能够保证达标。同时聚磷菌分得了较多碳源，除磷作用明显加强。SCOD依然逐级递减。

当配水比为0.5时，可见预缺氧和缺氧区的NO3―-N进一步升高，出水NO3―-N已超过11，但是除磷作用进一步强化，出水TP达到最低值。出水TN也能够保证达标。SCOD厌氧区的值已经超过预缺氧区，进一步说明进水碳源已大部分分配到生物除磷。

当配水比为0.2时，发现出水TN、TP都出现明显上升。预缺氧区、缺氧区NO3―-N很高说明，反硝化反应已明显受阻，且导致厌氧区NO3―-N也较高，虽有较多进水碳源，但是NO3―-N过高破坏了厌氧区的还原环境，抑制了释磷反应的发生。

综上所述，将配水比调节为1～0.5较为合适，当进水TN、COD较高时，适度将配水比上调，保证COD充分利用和强化反硝化。进水中混有较多难降解有机物时，也应加大配水比，进水中的有机物在预缺氧段进一步水解酸化后，可形成大量FVA，可大幅度提高生物除磷。而一般情况下，进水碳源较少，多为较易降解有机物和不能降解有机物，难降解有机物较少，而且出水TP指标较严格，进水TP较高，经常超出设计标准，应在1～0.5范围内尽可能加大厌氧区进水，为生物释磷提供充足的碳源，提高生物除磷率。

3.3 其他强化除磷措施

根据生物除磷的反应机理和改良A2O工艺的特点，还有以下措施可以强化生物除磷

（1）适当减小内外回流量。一来尽量避免硝酸盐氮进水厌氧区影响释磷环境。二来抑制反硝化作用，使生物除磷获得更多碳源。

（2）适度减小好氧区DO。在C源不足的情况，DO过高可能会造成聚磷菌在好氧区因为缺少底物而发生内源呼吸，即细胞自溶无效释磷，导致出水TP上升。另外，在厌氧区与聚磷菌竞争的还有聚糖原菌，该菌在厌氧区释放磷酸盐但是在好氧环境下不能吸收磷酸盐。将DO控制在较低值（但不低于1.5mg/L）可以有效抑制聚糖原菌生长。

（3）控制合适的泥龄。将泥龄控制在适宜于聚磷菌的生长周期，可以有效促进聚磷菌的生长，但前提是要保证硝化菌正常生长。

（4）利用剩余污泥在储泥池的停留阶段，促使污泥水解酸化产生高浓度VFA上清液。利用上清液回流补充进水C源。

4 总结

（1）由生物聚磷的反应机理可以看出，聚磷菌在厌氧状态下形成PHB是生物除磷的关键，而形成PHB的关键是在于进水是否有适量、适宜的有机碳源供聚磷菌利用。

（2）有机碳源中以短链的FVA最为适合，供聚磷菌利用。当然长链的有机酸通过水解酸化形成足够的VFA也可以有效利用。其中乙酸钠无疑为最好的碳源之一，通过小试验证，乙酸钠在浓度20-30mg/l促进生物除磷作用明显且足够稳定。

（3）布吉厂生物除磷作用受进水C源的影响效果明显，特别是在4-8月雨季期间。

（4）改良A2O工艺预缺氧和厌氧的配水比是提高脱氮除磷的有效手段。一般控制在0.5～1较为合适。但具体情况还受到内外回流、泥龄、DO、进水水质情况的影响，污水厂应根据进出水实际情况合理调配。

参考文献：

[1] 田淑媛，王景峰，杨睿，等.厌氧下的PHB 和聚磷酸盐及其生化机理研究[J].中国给水排水，2000，6（7）：5-7.

[2] 王迪，杨凤林，周军，等.碳源对好氧颗粒污泥物理性状及除磷性能的影响[J].中国给水排水，2007（05）：2081-2085.

[3] sai C S，L iuW T.Phylogenetic and physiological diversity of tetrad-forming organisms in deteriorated biological phosphorus removal systems[J].ater Sci Technol，2002，46（1-2）：79-184.